close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Презентация курса

код для вставкиСкачать
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Захвалинский В.С.
Белгород 2006г.
Общие сведения по дисциплине
Название Физические основы электроники
Читается для специальностей
200900 “Сети связи и системы коммутации” и
201100
“Радиосвязь, радиовещание и
телевидение”
Важность изучения дисциплины
курс “Физических основ электроники” создает
основу для изучения специальных предметов,
обязательных
для
изучения
студентами
специальностей 200900 “Сети связи и системы
коммутации”
и
201100
“Радиосвязь,
радиовещание и телевидение”.
Сфера профессионального использования
2
Краткое описание дисциплины
Современная электроника развивается в наши дни по
нескольким направлениям. Первое направление это –
интегральная электроника или микроэлектроника. Второе
направление – функциональная электроника. Эти направления
взаимно дополняют и обогащают друг друга. Охватывая
широкий круг научных, технических и производственных
проблем электроника опирается на достижения в различных
областях знаний. Курс физических основ электроники
включает в себя разделы физики описывающие эффекты и
явления используемые при конструировании электронных
приборов. Основу курса составляет физика твердого тела с
привлечением элементов кристаллографии и квантовой
механики. В своем историческом развитии электроника
прошла несколько периодов. Поэтому внимание уделяется
физике протекания электрического тока в газе и вакууме.
Основное внимание уделено свойствам полупроводников и p-n
перехода на их основе. Данный курс должен послужить базой
для изучения дискретной электроники, микроэлектроники и
функциональной электроники тесно связанной в последнее
время с наноэлектроникой.
3
Цели и задачи преподавания дисциплины
Целью изучения дисциплины является
формирование
у
студентов
теоретической
базы
для
изучения
электроники, микроэлектроники и других
радиотехнических дисциплин.
Задачи
Основные задачи изучения дисциплины:
1) сообщить студентам базовый комплекс
знаний, необходимых для понимания
принципов
работы
компонентов
электронных
устройств
и
систем.
Особенностью курса является изложение
материала в краткой форме.
4
Место дисциплины среди смежных дисциплин
Предмет “Физические основы электроники”
органично продолжает изученные ранее
студентами разделы физики: “Колебания и
волны”, “Электричество”, курс физики изученный в
средней школе. Он создает основу для изучения
специальных предметов, обязательных для
изучения студентами специальностей 200900
“Сети связи и системы коммутации” и 201100
“Радиосвязь, радиовещание и телевидение”.
5
Начальные знания
Для
понимания
и
усвоения
материала изложенного в курсе
“Физические основы электроники”
необходимо знание школьных курсов
физики, химии и математики, а также
курсов
“Колебания
и
волны”,
“Электричество”.
6
Итоговые знания, умения и
навыки
После изучения дисциплины студенты
должны :
Усвоить физические принципы лежащие в
основе работы электронных приборов.
7
Содержание лекционного курса
Тема Тема 1. Твердое тело. Кристаллическая решетка. Симметрия и
классификация кристаллов. Дефекты в кристаллах
7
1.1.Твердое тело (конденсированное состояние)
7
1.21.2.Типы связей в твердом теле. Природа сил взаимодействия в твердом теле.
Кристалл.
8
1.3. Геометрия кристаллической решетки. Трансляция.Элементарная ячейка.
Элементы симметрии
10
1.4. Классы симметрии. Решетка Браве
13
1.5. Классификация кристаллов по типу связей
15
1.61.6.Символические обозначения плоскостей и направлений в кристаллах.
Индексы Миллера
16
1.7. Дефекты в кристаллах
17
Вопросы для повторения
19
Тема 2. Элементы зонной теории твердого тела
20
2.1. Взгляд на строение атома и твердого тела с позиций квантовой
механики. Элементы зонной теории. Энергия Ферми.
20
2.2.Четыре типа энергетических (зонных) диаграмм твердого тела
8
23 Вопросы для повторения
Тема 3. Полупроводники. Собственный полупроводник. Генерация и
рекомбинация зарядов. Уровень Ферми. Эффективная масса носителя заряда.
Примесный полупроводник
26
3.1. Полупроводники
26
3.2.Собственные и примесные полупроводники. Носители заряда
в полупроводниках
28
3.3. Энергия Ферми
29
3.4. Генерация и рекомбинация носителей зарядов
31
3.5. Собственная проводимость полупроводника. Уровень Ферми в собственном
полупроводнике. Эффективная масса носителей
заряда
33
3.6. Примесные полупроводники
35
3.6.1. Примесные уровни
35
3.6.2. Примесная проводимость полупроводников
38
3.6.3. Полупроводник р-типа
39
3.6.4. Сильно легированный полупроводник. Роль беспорядка
в кристалле
40
9
3.6.4. Сильно легированный полупроводник. Роль беспорядка
в кристалле
3.7. Температурная зависимость проводимости примесных
полупроводников
3.8. Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводнике
Вопросы для повторения
Тема 4. Свойства электронов. Работа выхода электронов. Движение
электронов в электрических и магнитных полях.
4.1. Свойства электронов
4.2. Работа выхода электронов и влияние адсорбционных слоев на работу
выхода
4.2.1. Работа выхода электронов
4.2.2. Влияние адсорбционных слоев на работу выхода
4.3. Движение электронов в электрических и магнитных полях
4.3.1. Электрон в электрическом поле
4.3.2. Электрон в магнитном поле
56
Вопросы для повторения
10
40
41
44
47
48
48
49
49
52
53
53
58
Тема 5. Электронный газ в проводнике. Вырожденный и невырожденный
электронный газ. Электропроводность чистых металлов и сплавов.
Электропроводность полупроводников в сильных электрических полях
59
5.1. Равновесное состояние электронного газа в проводнике в отсутствие
электрического поля
62
5.2. Электропроводность невырожденного и вырожденного газов
62
5.2.1. Невырожденный газ
62
5.2.2. Вырожденный газ
62
5.3. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры
64
5.3.1. Область высоких температур
64
5.3.2. Область низких температур
64
5.4. Электропроводность чистых металлов
66
5.4.1. Проводимость электронных металлов
66
5.5. Электропроводность металлических сплавов
66
5.6. Электропроводность полупроводников в сильных электрических
полях.
Эффект Ганна
68
11
Тема 6. Эффект Холла
73
6.1. Эффект Холла
73
6.1.1. Эффект Холла в полупроводнике
74
6.1.2. Эффект Холла в полупроводниках с двумя типами носителей заряда
78
Вопросы для повторения
78
Тема 7. Контактные явления. Математическая модель
p-n перехода
80
7.1. Контакт двух металлов
80
7.1.1. Контактная разность потенциалов
80
7.1.2. Толщина двойного электрического слоя, возникающего в месте контакта
двух металлов
82
7.2.Контакт электронного и дырочного полупроводников
(p–n переход)
82
Вопросы для повторения
88
Тема 8. Свойства p-n перехода
89
8.1. p-n переход в условиях термодинамического равновесия
89
8.2. Свойства p-n перехода при наличии внешнего напряжения
89
8.3. Обратное включение p-n перехода
92
12
8.4. Вольтамперная характеристика p-n перехода
8.5. Температурные и частотные свойства p-n перехода
8.6. Туннельный эффект
Вопросы для повторения
Тема 9. Контакт металл – полупроводник. Гетеропереходы. Поверхностные
явления в полупроводнике
9.1. Контакт металл– полупроводник. Переход Шоттки
9.2. Поверхностные явления в полупроводниках
9.3. Гетеропереходы
9.3.1. Идеальный р-n переход
9.3.2. n+ – n и p+ – p переходы
9.3.3. Омический переход
Вопросы для повторения
Тема 10. Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках
10.1. Фотопроводимость в полупроводниках
10.2. Фоторезистивный эффект
10.3. Фотоэффект в р-п переходе
10.4.Электромагнитное излучение в полупроводниках
13
93
95
98
101
102
102
106
107
108
110
112
113
114
114
116
117
118
10.4.Электромагнитное излучение в полупроводниках
10.5. Лазеры
10.6. Конструкция и изготовление инжекционных лазеров
10.7. Основные характеристики и параметры лазеров
Вопросы для повторения
Тема 11. Термоэлектрические явления
11.1. Термоэлектрические явления
11.1.1. Эффект Зеебека
11.1.2. Эффект Пельтье
11.1.3. Эффект Томсона
11.2. Применение термоэлектричества
11.2.1. Применение металлических термобатарей и термопар
11.2.2. Полупроводниковые термоэлектрические приборы
11.2.3. Холодильники и тепловые насосы
11.2.4. Термоэлектрическое охлаждающее устройство (ТОУ)
11.2.5. Использование принципа полупроводникового теплового насоса
Вопросы для повторения
118
120
123
125
127
129
129
129
130
130
130
131
132
134
135
135
136
14
Тема 12. Электрический ток в газах и вакууме
12.1. Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды.
12.1.1. Ионизация газа
12.1.2. Несамостоятельный разряд
12.1.3. Самостоятельный разряд
12.1.4. Типы самостоятельного разряда
12.2. Понятие о плазме
12.3. Электрический ток в вакууме
12.3.1. Вакуум. Термоэлектронная эмиссия
12.3.2. Электронные лампы
12.4. Электронные пучки. Электронно-лучевая трубка
Вопросы для повторения
Приложение к Теме 6
Приложение к теме 7
137
137
137
138
139
140
143
145
145
146
149
150
151
153
15
Тема 1. Твердое тело. Кристаллическая решетка.
Симметрия и классификация кристаллов. Дефекты
в кристаллах.
Ознакомление с понятием твердого тела
(конденсированное состояние), с типами связей в
твердом теле, природой сил взаимодействия в твердом
теле. И понятием кристалла. Ознакомление с основами
кристаллографии, а именно с геометрия
кристаллической решетки, трансляцией, элементарной
ячейкой. Дано определение элементов симметрии,
классов симметрии, решетки Браве. Классификация
кристаллов по типу связей.
Символические обозначения плоскостей и
направлений в кристаллах. Индексы Миллера.
Дефекты в кристаллах.
16
Тема 2. Элементы зонной теории твердого тела.
Взгляд на строение атома и твердого тела с позиций
квантовой механики. Элементы зонной теории. Энергия
Ферми. Четыре типа энергетических (зонных) диаграмм
твердого тела.
17
Тема 3. Полупроводники. Собственный полупроводник.
Генерация и рекомбинация зарядов. Уровень Ферми.
Эффективная масса носителя заряда. Примесный
полупроводник.
Полупроводники.
Собственные и примесные полупроводники.
Носители заряда в полупроводниках. Энергия Ферми. Генерация
и рекомбинация носителей зарядов. Собственная проводимость
полупроводника. Уровень Ферми в собственном полупроводнике.
Эффективная
масса
носителей
заряда.
Примесные
полупроводники. Примесные уровни. Примесная проводимость
полупроводников.
Полупроводник р-типа. Сильно
легированный полупроводник. Роль беспорядка в кристалле.
Температурная
зависимость
проводимости
примесных
полупроводников
. Дрейфовый и диффузионный токи в
полупроводнике.
18
Тема
Свойства электронов. Работа выхода
электронов. Движение электронов в электрических и
магнитных полях.
Свойства электронов. Работа выхода электронов и влияние
адсорбционных слоев на работу выхода.
Работа
выхода электронов. Движение электронов в электрических и
магнитных полях. Электрон в электрическом поле. Электрон
в магнитном поле.
4.
19
Тема 5. Электронный газ в проводнике. Вырожденный
и невырожденный электронный газ. Электропроводность чистых
металлов и сплавов. Электропроводность полупроводников в сильных
электрических полях.
Равновесное состояние электронного газа в проводнике в отсутствие
электрического поля. Электропроводность невырожденного и
вырожденного газов. Невырожденный газ. Вырожденный газ.Зависимость
подвижности носителей заряда от температуры. Область высоких
температур. Область низких температур. Электропроводность чистых
металлов. Проводимость электронных металлов. Электропроводность
металлических сплавов. Электропроводность полупроводников в сильных
электрических полях. Эффект Ганна.
20
Тема 6. Эффект Холла.
Эффект Холла. Эффект Холла в полупроводнике. Угол Холла, поле
Холла. Коэффициент Холла для полупроводников с одним и двумя
типами носителей. Коэффициент Холла для собственного
полупроводника,
в
вырожденных
и
не
вырожденных
полупроводниках. Холл фактор.
21
Тема 7. Контактные явления. Математическая модель p-n
перехода.
Контакт двух металлов .Контактная разность потенциалов
Толщина двойного электрического слоя, возникающего в
месте контакта двух металлов. Контакт электронного и
дырочного полупроводников (p–n переход).
22
Тема 8. Свойства p-n перехода.
p-n переход в условиях термодинамического равновесия.
Свойства p-n перехода при наличии внешнего напряжения.
Обратное
включение
p-n
перехода.
Вольтамперная
характеристика p-n перехода. Температурные и частотные
свойства p-n перехода. Туннельный эффект.
23
Тема
Контакт
металл
–
полупроводник.
Гетеропереходы. Поверхностные явления в полупроводнике.
Контакт металл – полупроводник. Переход Шоттки.
Поверхностные явления в полупроводниках .Гетеропереходы
.Идеальный р-n переход . n+ – n и p+ – p переходы .Омический
переход .
9.
24
Тема 10. Оптические и фотоэлектрические явления в
полупроводниках.
Фотопроводимость в полупроводниках. Фоторезистивный
эффект.
Фотоэффект в р-п переходе. Электромагнитное
излучение в полупроводниках. Лазеры. Конструкция и
изготовление
инжекционных
лазеров.
Основные
характеристики и параметры лазеров .
25
Тема 11. Термоэлектрические явления.
Термоэлектрические явления. Эффект Зеебека.
Эффект Пельтье Эффект Томсона. Применение
термоэлектричества.
Применение
металлических термобатарей и термопар.
Полупроводниковые
термоэлектрические
приборы. Холодильники и тепловые насосы.
Термоэлектрическое охлаждающее устройство
(ТОУ).
Использование
принципа
полупроводникового теплового насоса.
26
Тема 12. Электрический ток в газах и вакууме.
Несамостоятельный и самостоятельный газовые
разряды. Ионизация газа Несамостоятельный разряд.
Самостоятельный разряд. Типы самостоятельного
разряда . Понятие о плазме. Электрический ток в
вакууме. Вакуум. Термоэлектронная эмиссия .
Электронные лампы. Электронные пучки. Электроннолучевая трубка.
27
Контрольные мероприятия
Промежуточный тест №1
Промежуточный тест №2
Итоговый контроль
Итоговый тест
Зачет
28
Глоссарий
Аморфные вещества
С термодинамической точки зрения аморфное
ТТ находится в метастабильном состоянии и со
временем должно закристаллизоваться.
Аморфные вещества ведут себя как жидкости с
аномально высокой вязкостью. К ним относятся
стекла, пластмассы и смолы, При повышении
температуры они постепенно размягчаются и
приобретают способность течь, как жидкости
[§1.1].
29
Анизотропия
Неодинаковость
свойств кристалла в разных
направлениях, которая является результатом его
симметрии и внутреннего строения[§1.1].
Акцепторные уровни
Примеси, захватывающие электроны из валентной
зоны полупроводника, называют акцепторными,
а энергетические уровни этих примесей –
акцепторными уровнями. Полупроводники,
содержащие
такие
примеси,
называются
дырочными
полупроводниками,
или
полупроводниками p-типа; часто их называют
акцепторными полупроводниками. [§ 3.6.1].
30
Адсорбционнй См. [§ 4.2.2].
слой
Барьерная
При
обратном
напряжении,
емкость
приложенном
к
p-n
переходу,
носители зарядов обоих знаков
находятся по обе стороны перехода, а
в области самого перехода их очень
мало. Таким образом, в режиме
обратного напряжения p-n переход
представляет собой емкость. Эту
емкость называют барьерной (Сб). [§
8.5].
31
Ван-дер-ваальсовские связи
Силы взаимодействия в таких кристаллах
определяются наличием у молекул естественных
или индуцированных электрических моментов [§
1.3].
Валентная зона
При сближении атомов на расстояние примерно
10 –8 см., будет происходить перекрытие волновых
функций атомарных электронов. Благодаря этому
энергетический уровень валентных электронов
превращается в зону. Эта зона носит название
валентной [§ 2.1].
32
Водородная связь
В кристаллах с водородными связями каждый
атом водорода связан силами притяжения
одновременно с двумя другими атомами.
Водородная связь вместе с электростатическим
притяжением дипольных моментов молекул воды
определяет свойства воды и льда[§1.1].
Вольтамперная характеристика p-n перехода
См. [§8.4].
33
Время жизни носителей
Среднее время существования носителей заряда в
полупроводнике обычно называют временем жизни
носителей [ § 3.8].
Вырожденный газ
В
вырожденном
газе
в
формировании
электропроводности
могут
участвовать
не
все
свободные электроны, а лишь те из них , которые
располагаются непосредственно у уровня Ферми.[§
5.2.2].
34
Генерация носителей заряда
Генерация
носителей
заряда
(образование свободных электронов и
дырок) происходит при воздействии
теплового
хаотического
воздействия
атомов
кристаллической
решетки
(тепловая генерация), при воздействии
поглощенных полупроводником квантов
света (световая генерация ) и других
энергетических факторов [§ 3.4].
Гетеропереход
Гетеропереходом
называют
переход,
образующийся на границе контакта двух
полупроводников с различной шириной
35
запрещенной зоны. [§ 9.3].
Дефекты в кристалле
Нарушения периодичности решетки, которые не
сводятся к тепловым движениям, называются
дефектами [§ 1.7].
Дефекты по Шоттки
В
реальных
кристаллах
некоторые
узлы
кристаллической решетки, в которых должны
находиться атомы, оказываются незанятыми [§
1.7].
Дефекты по Френкелю
Они возникают в том случае, когда атом покидает
свое место в узле кристаллической решетки и
размещается в междоузлии в окружении атомов,
расположенных на своих законных местах [§ 1.7].
36
Дислокации
Этот вид дефектов возникает в случае, когда
между атомными плоскостями вклинивается
неполная дополнительная атомная плоскость [§
1.7].
Дырка
Вакантное место в ковалентной связи получило
название дырки. Незавершенная связь будет
иметь избыточный положительный заряд равный
по величине заряду электрона [§ 3.2].
37
Донорные уровни
Примеси, являющиеся источником электронов
проводимости,
называются
донорами,
а
энергетические
уровни
этих
примесей
–
донорными
уровнями.
Полупроводники,
содержащие донорную примесь, называются
электронными
полупроводниками,
или
полупроводниками п-типа; часто их называют
также донорными полупроводниками [§3.6.1].
Дрейфовый ток
Ток, обусловленный внешним электрическим
полем, получил название дрейфового тока.[ §
3.8].
38
Диффузионный ток
Ток, возникающий в результате диффузии
носителей из области, где их концентрация
повышена, в направлении области с более
низкой
концентрацией,
называется
диффузионным бездрейфовым током.
[ § 3.8].
Диффузионная длина
Среднее расстояние, которое проходят за
время
жизни
носители,
называют
диффузионной
заряда.[3.8].
длиной
носителей
39
Двойной электрический слой
Совокупность положительных ионов у
поверхности
металла
и
электронов,
появляющихся
над
поверхностью,
называется двойным электрическим
слоем.[4.2.1].
Запрещенная зона
Зоны дозволенных энергий отделены друг
от
друга
интервалом,
называемым
запрещенной зоной или энергетической
щелью [§ 2.1].
40
Зона проводимости
Если же в самой верхней занятой, но не полной
зоне, имеются свободные энергетические уровни,
на которые могут переходить электроны, то они
образуют так называемую зону проводимости
[§ 2.1].
Ионные кристаллы
Ионные кристаллы (NaСl, KC1 и др.) характерны
тем, что силы притяжения, действующие между
ионами - электростатические.
[§1.1].
41
Индексы Миллеры
В кристаллографии принято пользоваться для
обозначения плоскостей особыми индексами
Миллера.[ § 1.6].
Инжекционный лазер
См. [§10.6].
Инверсия населенностей
Инверсия населенностей – соотношение между
населенностями разных энергетических уровней
атомов или молекул вещества, при котором число
частиц на верхнем из данной пары уровней
больше, чем на нижнем.
[§10.5].
42
Кристалл
Кристалл, представляет собой совокупность
атомов,
упорядоченно
расположенных
в
пространстве и удерживаемых около положения
равновесия
силами
взаимодействия.
Структурными единицами ТТ служат атомы,
молекулы
или
ионы.
Термодинамически
устойчивыми ТТ являются кристаллические, так
как они обладают минимальной внутренней
энергией, с повышением температуры,
по
достижении
определенной
температуры,
называемой
температурой
плавления,
они
скачком переходят в жидкое состояние. Кристалл
имеет прерывистую периодическую структуру.
[§1.1].
43
Ковалентный кристалл
В ковалентных кристаллах (алмаз, Ge, Si и др.)
валентные
электроны
соседних
атомов
обобществлены, поэтому ковалентный кристалл
можно рассматривать как одну огромную
молекулу [§1.1].
Класс симметрии
В кристаллографии показано, что существуют
всего 32 возможные комбинации элементов
симметрии.
Каждая
из
таких
возможных
комбинаций называется классом симметрии. В
природе
существуют
только
кристаллы,
относящиеся к одному из 32 классов симметрии [§
1.3].
44
Коэффициент Холла
См.[§ 6.1.1].
Контактная разность потенциалов
См. [§ 7.1.1].
Когерентность
Когерентность – согласованное протекание во
времени нескольких колебательных или волновых
процессов. Т.е. если разность фаз двух колебаний
остается постоянной во времени, или же два
идеальных монохроматических колебания имеют
одну и ту же частоту, то такие колебания
называются когерентными. [§10.5].
45
Лазеры
Вынужденное когерентное излучение называют
стимулированным или индуцированным, а
излучатели таких волн получили название
лазеров (от английского Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation – усиление света
за счет индуцированного излучения). [§10.4].
Металлическая связь
В металлических кристаллах связь (металлическая
связь)
обусловлена
коллективным
взаимодействием
подвижных
электронов
с
остовом
кристаллической
решетки.
Для
переходных
металлов
характерна
также
ковалентная связь, осуществляемая электронами
незаполненных внутренних оболочек [§1.1].
46
Молекулярные кристаллы
В молекулярных кристаллах молекулы связаны
между
собой
относительно
слабыми
электростатическими силами ( ван-дер-ваальсовы
силы
)
обусловленными
динамической
поляризацией молекул [§1.1].
Неравновесная концентрация
Если с помощью какого либо внешнего
воздействия
динамическое
равновесие
концентраций
электронов
и
дырок
в
полупроводнике
нарушено,
то
появляется
дополнительная неравновесная концентрация
носителей заряда. [§3.8].
47
Невырожденный газ
В случае невырожденного газа плотность
заполнения зоны проводимости электронами на
столько небольшая, что они практически никогда
не встречаются так близко, что бы их поведение
могло ограничиваться принципом Паули .[§ 5.2.1,
§ 5.2.2].
Несамостоятельный газовый разряд
Процесс протекания тока через газ называют
газовым разрядом. Ток в газе, возникающий при
наличии внешнего ионизатора, называется
несамостоятельным газовым разрядом.
48
Ось симметрии
Если кристалл обладает осью симметрии
(поворотной осью), то он может быть совмещен
сам с собой, т.е. приведен в положение
неотличимое от исходного, путем поворота на
некоторый угол вокруг этой оси. В зависимости от
симметрии кристалла величина угла поворота,
необходимого для совмещения кристалла с самим
собой, может составлять 360, 180, 120, 90, 60
градусов. (2п / п, где n = 1, 2, 3, 4 или 6) [§ 1.3].
49
Основные носители
Электроны, составляющие подавляющее
большинство
носителей
заряда
в
полупроводниках
п-типа,
называют
основными носителями заряда, а дырки –
неосновными.. И на оборот, дырки
составляющие подавляющее большинство
носителей заряда в полупроводниках pтипа, называют основными носителями
заряда, а электроны– неосновными. [§
3.6.2, § 3.6.3].
50
Омический переход
Контакт, электрическое сопротивление
которого
мало
и
не
зависит
от
направления тока в заданном рабочем
диапазоне токов. [§9.3.3].
Период трансляции
Трансляция а представлена вектором,
имеющим определенное направление и
численное значение, равное а, называемое
периодом трансляции [§1.3].
51
Плоскость симметрии
Если
одна
половина
кристалла
совмещается с другой при отражении в
некоторой плоскости, как в зеркале, то
такая плоскость называется плоскостью
симметрии [§ 1.3].
Поворотно-зеркальная ось
К этому элементу симметрии приводит
одновременное
применение
двух
операций:
поворота
вокруг
оси
и
зеркального отражения в плоскости,
перпендикулярной оси [§ 1.3].
52
Полупроводники
Полупроводники, широкий класс веществ с
электронным
механизмом
электропроводности, по её удельному
значению занимающих про-межуточное
положение между металлами ( 104—
106
Ом-1•см-1)
и
хорошими
диэлектриками ( 10-12—10-11 Ом-1•см1) (интервалы значений
указаны при
комнатной температуре) [§ 3.1].
53
Примесный полупроводник
Полупроводник, имеющий примеси, называется
примесным,
а
его
электропроводность
обусловленную наличием в кристалле примесейпримесной [§ 3.6.1].
Полупроводник n-типа
См. Донорные уровни. [§ 3.6.1].
Полупроводник p-типа
См. Акцепторные уровни [§ 3.6.1].[ § 3.6.3].
Примесная проводимость
Проводимость, вызванная присутствием в
кристалле полупроводника примесей из атомов с
иной валентностью, называется примесной [§
3.6.2].
54
Переход Шоттки
Выпрямляющий
контакт
полупроводник
п-типа
переходом
особенностью
сравнению с
металл
–
называют
Шоттки.
Важнейшей
перехода
Шоттки
по
р-п переходом является
отсутствие инжекции
носителей заряда. [§9.1].
неосновных
55
Поверхностные явления в полупроводниках
Физические явления, возникающие у поверхности
полупроводникового
кристалла
вызванные
нарушением
распределения
потенциала
кристаллической
решетки
полупроводника
вследствие его обрыва у поверхности; наличием
нескомпенсированных
валентных
связей
у
поверхностных атомов; искажением потенциала
решетки
из-за поверхностных атомов ;
искажением потенциала решетки из-за возможных
поверхностных
дефектов
кристалла. [§9.2].
структуры
56
Поверхностный потенциал
Если принять потенциал в объеме
полупроводника
равным
нулю,
то
потенциал поверхности будет отличен от
нуля из-за наличия зарядов между
объемом
и
поверхностью.
Разность
потенциалов между поверхностью и
объемом
называют
поверхностным
потенциалом[§9.2].
57
Пробой
Туннельный пробой основан на изученном
нами туннельном эффекте – когда электроны
проходят через потенциальный барьер р-пперехода, не изменяя своей энергии .
Лавинный пробой Механизм лавинного пробоя
подобен механизму ударной ионизации в газах.
Под действием сильного электрического поля
электроны могут освободиться из ковалентных
связей и получить энергию, достаточную для
преодоления потенциального барьера в р-ппереходе. Двигаясь с большой скоростью в
области
р-п- перехода они сталкиваются с
нейтральными атомами и ионизируют их .
58
Тепловой пробой. Электрический и
тепловой пробой во многих случаях
происходят одновременно. Во время
электрического пробоя полупроводник
разогревается и затем происходит
тепловой пробой. Тепловая генерация пар
электрон – дырка приводит к увеличению
концентрации неосновных носителей
заряда и к росту обратного тока, а
увеличение тока, приводит в свою очередь
к дальнейшему повышению температуры.
Процесс нарастает лавинообразно. При
чрезмерном разогреве кристалла, р-ппереход необратимо выходит из строя .
59
Работа выхода
Работой выхода называется работа по
перемещению электрона из проводника в
окружающее пространство равна произведению
заряда электрона е на пройденную разность
потенциалов φ0.[§ 4.2.1].
Рекомбинация носителей заряд
Процесс превращения свободного электрона в
связанный электрон
и исчезновение пары
носителей
заряда
(электрон-дырка)
носит
название рекомбинации.
60
Силы взаимодействия
Природа сил взаимодействия между
атомами
в
кристаллах
хорошо
известна. Это – электрические силы
отталкивания
и
притяжения
положительно
и
отрицательно
заряженных частиц, имеющихся в
каждом атоме. [§1.1].
61
Сингония
В кристаллографии принято объединять 32 класса
симметрии в 7 систем симметрии или 7 сингоний,
которые носят следующие названия в порядке
возрастания симметрии триклинная система,
включающая два класса симметрии, тригональная
система,
объединяющая
семь
классов,
моноклинная система, куда входят три класса,
гексагональная
система
пять
классов,
ромбическая,
также
с
тремя
классами,
тетрагональная система с семью классами,
кубическая система [§ 1.3].
[§ 1.3].
62
Собственный
полупроводник
Полупроводник
будет
являться
собственным , если влияние примесей
на его свойства пренебрежимо мало.
В нем свободные носители заряда
возникают только за счет разрыва
валентных связей [§ 3.2].
Стимулированно Может возникнуть процесс, при
е излучение
котором все возбужденные атомы
излучают
почти
одновременно,
взаимосвязано
и
так,
что
генерируемые фотоны абсолютно
неотличимы от тех, которые эту
генерацию
вызвали.
Такое
вынужденное когерентное излучение
называют стимулированным или
индуцированным [§10.4.].
63
Термопара
См. [§11.2.1].
Термоэлемент
См. [§ 11.2.2].
Термоэлектрические явления
См. [§10.1.1].
Трансляция
Кристалл имеет прерывистую периодическую структуру.
С геометрической точки зрения такую структуру можно
создать с помощью операции параллельного смещения,
которая называется трансляцией [§1.3].
64
Твердое тело
Твердым телом (ТТ) называют такое агрегатное
состояние вещества, которое характеризуется
постоянством
формы
рассматриваемой
макросистемы и особым характером теплового
движения атомов, составляющих макросистему.
Различают кристаллические и аморфные ТТ.
Термодинами-чески устойчивыми ТТ являются
кристаллические, так как они обладают
минимальной внутренней энергией[§1.1].
65
Трансляционная группа
Положение любой точки в пространственной решетке
определяться
комбинацией
перемещений
ma+nb+pc.Комбинация трех векторов а,b,с называется
трансляционной группой [§1.3].
Тепловой пробой p-n перехода
Тепловой
пробой
p-n
перехода
происходит
вследствие вырывания валентных электронов из связей
в атомах при тепловых колебаниях кристаллической
решетки. Тепловая генерация пар электрон-дырка
приводит к увеличению концентрации не основных
носителей заряда и к росту обратного тока. [§8.4].
66
Туннельный эффект
Туннельный эффект заключается в том, что электроны
проходят через потенциальный барьер p-n перехода, не
изменяя своей энергии. [§8.6].
Фотопроводимость полупроводников
Явлением фотопроводимости называется увеличение
электропроводности полупроводника под воздействием
электромагнитного излучения. [§ 10.1].
67
Фоторезистивный эффект
Сущность этого явления состоит в том, что при
поглощении квантов света с энергией достаточной для
ионизации собственных атомов полупроводника или
ионизации
примесей,
происходит
увеличение
концентрации носителей заряда. [§10.2].
Центр симметрии
Если в кристалле существует точка, обладающая тем
свойством, что при замене радиуса-вектора r, любой
из частиц, составляющих кристалл на обратный ему
вектор -r, кристалл переходит в состояние,
неотличимое от исходного, то эта точка называется
центром симметрии или центром инверсии [§ 1.3].
68
Экстракция носителей заряда
Для не основных носителей (дырок в n - области и
электронов в р - области) потенциальный барьер в
электронно-дырочном переходе отсутствует, и они
будут втягиваться полем в области p-n перехода. Это
явление называется экстракцией. [§ 8.2].
Элементарная ячейка
Параллелепипед, построенный на трех элементарных
трансляциях
а, в, с , называется элементарным
параллелепипедом или элементарной ячейкой.[ §1.3].
69
Элементы симметрии
плоскость симметрии, ось симметрии, центр симметрии,
зеркально-поворотная ось симметрии[ §1.3].
Электрохимический потенциал
Энергия электрохимического потенциала – работа,
которую необходимо затратить для изменения числа
частиц в системе на единицу при условии постоянства
объема и температуры [§ 3.3].
70
Электрический пробой p-n перехода
Электрический пробой происходит в результате
внутренней электростатической эмиссии ( зинеровский
пробой) и под действием ударной ионизации атомов
полупроводника (лавинный пробой). [§ 8.4].
Электронная эмиссия
См. [§ 4.2.2].
Электронно –дырочный переход ( p-n переход).
Переход между материалами с электропроводностью nи p- типа носит название p-n перехода. [§ 7.2].
71
Электростатический домен
См. Эффект Ганна [§ 5.6].
Энергия Ферми
При температуре равной абсолютному нулю Т = 0 К
энергия всей атомной системы, в том числе и
электронного газа минимальна. Однако при этом
наблюдается характерная ситуация, когда электроны,
находящиеся на верхних энергетических уровнях,
обладают еще достаточно большой энергией, которую
они не могут сбросить и перейти на нижние уровни из-за
запрета Паули. Энергия электронов, занимающих самый
верхний из занятых уровней, обозначается εмакс и
называется энергией Ферми [§ 2.1, § 3.3].
72
Эффективная масса
Влияние на движение электрона в поле периодического
кристаллического потенциала ионов и остальных
электронов приводит к тому, что свойства носителей
тока в кристалле (электронов проводимости и дырок) во
многом отличается от свойств электронов в свободном
пространстве. А их масса (эффективная масса) может
сильно отличаться от массы свободного электрона и
зависеть от направления движения [§ 3.5].
73
Эффект Ганна
См.[§ 5.6].
Эффект Зиннера
См.[§ 5.6].
Эффект Зеебека
См. [§ 10.1.1].
Эффект Пельтье
См. [§ 10.1.2].
Эффект Томсона
См. [§ 10.1.3].
74
Эффект Холла
Явление возникновения в полупроводнике с
текущим
по
нему
током
поперечного
электрического поля под действием магнитного
поля называют эффектом Холла. [§ 6.1.1].
Эффект Штарка
См.[§ 5.6].
75
Список литературы
Основная литература
1 . Г. И. Епифанов Физика твёрдого тела, М.: Высшая
школа,1977,288 .
2 К.В.Шалимова Физика полупроводников, М :
Энергоатомиздат,1985,383.
3. Л.С.Стильбанс Физика полупроводников, М.: Советское
радио,1967,443.
4. М.П. Шаскольская Кристаллография , М.: Высшая
школа,1976,386.
5. В. В. Пасынков Полупроводниковые приборы, М.: Высшая
школа,1981.
76
6. Ч. Киттель Введение в физику твёрдого тела, М.:
Наука,1978.
7. В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев. Электроника и
микропроцессорная техника. М. Высшая школа, 2005.
8. С.Г.Калашников Электричество М.:
Фиматлит,2003,624.
9. Б. С. Гершунский. Основы электроники и
микроэлектроники , Киев: «Выща школа», 1987.
10. А.Ф.Кравченко. Физические основы
функциональной электроники, Новосибирск,
Издательство Новосибирского Университета, 2000.
77
Дополнительная литература
1. А.С. Давыдов Теория твердого тела, М: Наука, 1976,639.
2. В. Л. Бонч - Бруевич, С.Г. Калашников, Физика
полупроводников, М.: Наука, 1977,672.
5. 3. Л.А. Сена Единицы физических величин и их
размерности: М.Наука,1969,304.
4. Суэмацу Я., Катаока С., Кисино К., Кокубун Я., Судзуки Т.,
Исии О., Ёнэдзава С. Основы оптоэлектроники , М:
Мир,1988.
78
Документ
Категория
Презентации по физике
Просмотров
68
Размер файла
398 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа